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文/史蒂芬.霍金;譯/Desiree520

大家好,我是史蒂芬.霍金,我是一個物理學家、宇宙論者,也是一個夢想家。儘管我無法行走,只能透過電腦溝通,但我的內心是自由的,自由地探索整個宇宙,提出大膽的問題,例如:時間旅行可能嗎?我們能夠打開通向過去的入口,或發現通向未來的捷徑嗎?我們最終能夠利用自然法則成為時間的主人嗎?

時間旅行一度被認為是科學的異教邪說;過去,因為擔心有人會把怪人的標籤貼在自己身上,我閉口不談這個話題。但現在我不再那麼謹慎了;事實上,我更像是那些建造了巨石陣的人。我對時間痴迷已久,如果有一台時光機器,我將拜訪紅極一時的瑪麗蓮.夢露,去見把玩望遠鏡探索天空的伽利略;也許我還會走到宇宙的盡頭,破解整個宇宙的湮滅之謎。

想要瞭解這一切何以可能,我們需要從物理學家的角度來審視時間這個「第四度空間」的東西。這聽起來並不難;每個學生都知道,任何物體都以三度空間形式存在,包括坐在輪椅上的我。一切物體都有長寬高。

但時間的長度是另外一種長度。例如人類能活80年,而巨石陣的石頭已經矗立了大約上千年,太陽系則將持續幾十億年──一切事物都有時間長度,時間旅行也就意味著在第四度空間旅行。

為了弄明白這些,我們設想一下一種日常活動──開車。在直路上行駛相當於在一度空間旅行,向左、向右轉意味著進入了二度空間,在崎嶇不平的山路上上下下,又增加了一度,也就是在三度空間。那麼我們如何才能在時間中旅行呢?怎樣才能發現通往四度空間的道路呢?

讓我們片刻回顧一下科幻電影中的情節,有關時間旅行的電影通常有一台巨大而高能耗的機器,這台機器能夠開闢通往四度空間的道路──時間隧道。一個勇敢、但也有些莽撞的時間旅行者(誰也不知道他準備幹什麼)進入時間隧道,來到一個他們想要到達的時間裡;電影中的情節可能有些牽強,現實也許完全不同,但想法本身並不是太瘋狂。

物理學家們也在思考時間隧道,但角度不同。我們想知道過去和未來的入口在自然法則中是否存在;我們的結論是,它是存在的。它是什麼呢?我們給了它一個名字:蟲洞。事實上,蟲洞無處不在,只是它太小,肉眼看不見;蟲洞非常小,存在於時間和空間的每個角落和縫隙。你可能認為這難以理解,請聽我繼續解釋吧。

任何物質都不是平整實心的,仔細觀察的話,你會發現上面有小孔和裂縫;這是一個基本的物理原理,也同樣適用於時間。即使是平滑如撞球的物體,也會有細微的褶皺、縫隙和空洞。目前在前三度空間中,這一點顯而易見;但相信我,在第四度空間中也是如此。

時間也有細微的缺口、裂縫、和空隙;比分子、原子還細小的空間是「量子泡沫」,而蟲洞就存在於其中。空間和時間之間的微小隧道或捷徑,在量子的世界裡不斷形成、消失、改變;它們實際上連接著不同的地點和兩個不同的時間。

所謂蟲洞,是根據愛因斯坦相對論預測的連接時空中,兩個不同地點之間的假想「隧道」或捷徑,上面的三度空間圖輪廓集中呈現了這一點:負能量將時間和空間拖入一條隧道入口,並在另一個宇宙出現。蟲洞至今仍是一種假設,因為從沒有人見過,但在一些電影中被描述成時間旅行的通道,例如《星際奇兵》(1994年)和《時光大盜》(1981年),前者將蟲洞描述成宇宙之間有門的隧道,後者則在天體圖中展現了蟲洞的位置。

不幸的是,現實的時間隧道僅有億萬億萬億分之一釐米,這麼窄的通道人類過不去──不過這就是「蟲洞時光機器」概念的發展方向。部分科學家認為,我們也許可以捕獲一個蟲洞,將它放大幾億倍,使人類甚至宇宙飛船足以穿越。

如果動力充足、科技完備,科學家或許也可以在太空中建造一個巨型蟲洞。我並不是說這必然實現,但果真實現了,這個裝置會非同凡響;一端在地球的附近,另一端則在遙遠的星球附近。

理論上來說,時間隧道或蟲洞不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個地方,且由時間而非距離分離,那麼飛船就只是在地球附近飛進飛出,或許恐龍會目擊飛船著陸。

歷史上,最快的人造飛行器「阿波羅10號」能達到每小時2.5萬英里(約合每小時4萬公里);但要實現時間旅行,我們的速度必須是阿波羅10號的2000倍。

如今,我意識到以四度空間方式思考並不容易,蟲洞是一個令人絞盡腦汁的概念;我一直想做一個簡單的實驗,以揭示目前或將來人類透過蟲洞的時間旅行是否可行,我喜歡簡單的實驗、和成功後的香檳。

所以,我將自己最喜歡的兩件事情結合起來,探討時間旅行是否可行。

我們來想像一下,我準備舉辦一個晚會,歡迎未來的時間旅行者。不過我耍了個把戲,直到晚會開始之前,我都沒讓任何人知道這件事;我寫好邀請函,註明準確的時間和空間座標。我希望邀請函能以這樣那樣的形式存在幾千年;也許在未來的某一天,某個人會發現邀請函上的訊息,使用時光機器來到我的聚會,證明時間旅行在將來是可能的。

現在,我那些時間旅行的客人任何時候都可能到場。五、四、三、二、一,可是我數完數,沒有人出現,真尷尬。我還希望至少未來的「環球小姐」能出現在門口呢。這個試驗為什麼不起作用?其中原因可能是一個眾所周知的問題:回到過去會存在悖論。

悖論很有趣,最著名的叫做「祖父悖論」。我有一個新的簡化版本,稱之為「瘋狂科學家悖論」;我不喜歡科學家在電影中被刻畫成一群瘋子,但就這個事例而言,他們的確瘋狂。這個傢伙決定創造一個悖論,不惜花費生命;設想一下,他建造了一個蟲洞,一個時間隧道,僅一分鐘就可以回到過去。

透過時間隧道,科學家能夠見到一分鐘前的自己。但是如果科學家利用蟲洞回到過去,並對著過去的自己開槍,事情會怎樣?他現在已經死了。那誰開槍殺開了他呢?這就是個悖論,不合乎邏輯,而最讓宇宙學家抓狂的正是這種情況。

這種時光機器違背了宇宙管理的基本規定──先因後果,從來不會先果後因。我相信一切發生的事情都是可能發生的,否則如果不可能發生的事情發生了,那麼就沒有任何辦法阻止宇宙陷入混亂了。

所以我認為,總會有些事情發生以阻止這種悖論。科學家總會發現自己無論如何也不能對自己開槍,在這種情況下,我只能遺憾地告訴大家,這個問題就出在蟲洞本身。

最後,我認為這樣的蟲洞並不存在,原因就是「回授」。如果你曾去過搖滾現場,你可能辨別得出這種尖銳的雜音,這就是回授;引起回授的原因很簡單。聲音進入麥克風,透過電線傳導,經由擴音器放大,發出說話者的聲音;但如果聲音太多,在一個環狀物內繞來繞去,聲音就會逐次變大。如果沒人阻止,回授效應甚至可能破壞音響系統。

同理,蟲洞也有這種問題,只不過聲音換成了輻射;一旦蟲洞變大,大自然的輻射物會進入,最終形成一個環路。回授效應變得如此強勁,最終會摧毀蟲洞。所以,就算微型蟲洞確實存在,也確實可能某一天膨脹了起來,但並不能持續足夠長時間,當作時光機器使用;這就是為什麼沒有人準時來參加聚會的原因。

任何回到過去的時間旅行、或者其他的方法,都是不可能的,否則悖論就會出現;因此很遺憾,回到過去的時間旅行應該是不會發生了。恐龍狩獵者們該失望了,而史學家們則鬆了一口氣。

然而故事並沒有結束,時間旅行並不是不可能。我對時間旅行、尤其通向未來的時間旅行深信不疑。時間像河流一樣流動,我們每一個人無奈地順著時間的流水而下;但時間又是另外一種河,它以不同的速度在不同地方流動,這是進入未來的關鍵。

一百年前,愛因斯坦首先提出了這一概念。他認識到在有些地方時間放緩了,而在有些地方時間又加速了;他的想法是絕對正確的,證據恰恰就在我們頭頂的太空。

那便是全球定位系統,也稱為 GPS。衛星網路遍布地球附近的軌道,這使得衛星導航得以實現;同時我們也藉此發現,時間在太空中比在地球上更快。每個宇宙飛船中都有一個非常精確的鐘錶,雖然如此精確,但每天仍會快十億分之一秒左右;系統必須糾正這個誤差,否則這一點點的差異可能會影響到整個系統,導致地球上的GPS設備每天偏差6英里(約9.7公里)。你可以想像一下,這將導致怎樣的混亂。

這並不是鐘錶的問題,時鐘在太空中運行較快,這是因為時間本身在太空中就比在地面運行得快,造成這種非同尋常影響的原因,是地球的質量。愛因斯坦發現,物質會減緩時間運行速度,就像是河的下游一樣。物體越重,對時間的阻力越大;這個驚人的事實,為通向未來的時間旅行開啓了大門。

在距離我們2.6萬光年的銀河系正中央,有銀河系最重的物體;那是一個超大質量的黑洞,質量相當於400萬個太陽,在自身引力的作用下,它被壓縮為一點。離這個黑洞越近,引力越強。一旦距離過近,連光線都無法逃脫。這樣的黑洞對時間有顯著的影響,它令時間減緩的速度,遠遠超過銀河系中的任何物體;所以,它天生就是一台時光機器。

我喜歡設想繞軌道運行的宇宙飛船如何能利用這種現象。如果太空總署從地面觀測宇宙飛船,他們可能會發現,繞軌道運行一圈的時間為16分鐘。對於飛船上的那些勇者來說,靠近這個巨大的物體,時間就會放緩;這個效果遠遠超過了地球引力的影響。機組人員的時間會減慢一半,原本的每圈16分鐘,對他們來說僅過了8分鐘。

大型強子對撞機內部

他們一圈一圈地走著,用的時間只有遠離黑洞者所用時間的一半;飛船和船員就這樣做了時間旅行。設想一下,他們繞黑洞轉了5年,別的地方已過去10年。當他們回到家鄉,地球上的人都比他們老了5歲;所以,超大質量黑洞就是一台時光機器。

當然,這還不是非常的實用。超大質量黑洞之所以比蟲洞更有優勢,是因為它不會引發悖論,也不會因反饋走上自我毀滅之路;但它也是相當危險的,它離我們非常遙遠,而且也不能將我們帶到很遠的未來。幸運的是,有另外一種方式能進行時間旅行。這也是我們建造貨真價實的時光機器最後、也是最大的希望。

你必須以極快的速度旅行,甚至比避免被吸進黑洞所需要的速度還快。這是因為宇宙還有一個奇怪的事實──宇宙中存在著速度限制,即每秒鐘18.6萬英里(約合30萬公里),亦稱光速。沒有什麼能超過光速,這在科學界已被證實;信不信由你,當速度接近光速時,你將被送到未來。

要想理解這一點,我們可以設想科幻小說中的交通系統。想像一條為超高速火車建造的環繞地球的軌道。我們設想讓這輛虛構出來的火車以接近光速的速度行駛,看看它如何變成一個時光機器。火車上的乘客們帶著一張通向未來的單程票,火車開始加速,越來越快,不久,它就在一遍一遍地環繞地球了。

接近光速,也就是說以超高的速度環繞地球達每秒7次;但由於物理學的法則,不論火車有多強的動力,都不可能達到光速,只能無限接近光速。現在不可思議的事情發生了,火車上的時間相對地球上其他地方的時間變得緩慢了,就像在黑洞附近一樣,火車上的一切都變慢了。

這是為了保護速度限制,原因不難理解。設想一下,一個孩子在火車上朝前跑,他向前的速度加在了火車的速度上,那麼他能突破速度極限嗎?當然不能;自然規律會令列車上的時間減緩,使得這一幕永遠不會發生。

她的速度再快,也無法打破速度極限;時間總是放緩來保護速度限制。這使得去往多年後的未來成為可能。

設想一下,火車在2050年1月1日出發,環繞地球100年。2150年新年火車停下來;由於火車上的時間變緩,乘客們僅度過了一週的時間。當他們下車,他們發現外面的世界和他們離開時完全不同了;僅僅一週,他們就跨越了100年進入了未來。當然,建造這樣速度的火車幾乎不可能。但在瑞士日內瓦的歐洲物理粒子研究所,我們已經打造了世界上最大的粒子加速器,與這種火車非常接近。

在很深的地下,一條16英里(約合25.75公里)長的環形隧道裡,有一條由幾萬億微小粒子組成的粒子流;一旦啓動,他們能瞬間從0加速到每小時6萬英里(約合每小時9.7萬公里)。

能量加強,粒子的速度越來越快,直到它們以每秒1.1萬圈的速度環繞地下隧道運行,這時速度接近光速;但就如上面提到的火車,它不能完全達到光速,只能達到光速的99.99%。

此時,時間旅行就發生了。一些非常短暫的粒子讓我們明白了這個現象,這些粒子也叫「π介子」;一般說來,π介子會在250億份之一秒內分裂,但當他們被加速到光速時,壽命是以前的30倍。

就這麼簡單,達到飛快的速度,我們就能跨越到未來;我認為實現這一目標的唯一途經是進入太空。歷史上,人造最快的飛行器阿波羅10號能達到每小時2.5萬英里(約合每小時4萬公里);但要實現時間旅行,我們的速度必須是阿波羅10號的2000倍。

這樣說來,我們還需要一個較大的飛船,一台巨大的機器。這艘飛船能夠運載大量燃料使飛船加速至接近光速;在全負荷動力運行下,達到宇宙速度極限需要6年。

由於飛船很大很重,最初加速很緩慢;但隨著時間的推移,飛船速度非常快,不久就覆蓋廣大區域,一周內就能到達其他星球。兩年之後,達到光速的一半,大約離地球30萬億英里(約合4.8萬億公里);再過兩年,速度達到光速的90%,遠離太陽系。
發射四年之後,飛船開始了時間旅行;飛船上每過1個小時,地球上相當於過了2個小時,這與在巨大黑洞軌道上運行的宇宙飛船情形相似。

再經過另外兩年全負荷動力飛行,飛船將到達其最高速度──光速的99%;在此速度下,在飛船上一天相當於地球上的一年,飛船將跨越至未來。

時間放緩還有另一個好處,理論上說,這意味著我們一生中將跨越無盡的距離;到達銀河系的邊緣需要80年,但我們旅行真正的目的是要揭示宇宙有多麼神奇。宇宙中不同的地方時間流逝的速度不同;微小的蟲洞就在我們的周圍;直到最後,我們利用物理原理,或許真的可以成為穿越第四度空間的真正宇宙旅行者。

※ 本文摘自《時間旅行─去往時光的久遠之處》,原篇名為〈霍金談如何打造時光機器〉,立即前往試讀►►►

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